一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法

摘要

本发明公开了一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，该方法通过采集注入输入侧的谐波电流实际值，对其进行PI闭环控制，使得谐波电流跟踪设置的参考值，相较于传统控制方法，在不增加硬件设备的前提下提高了电流跟踪性能；本方法针对H3IMC拓扑设计PI控制器输出值为谐波电流，再与当前周期谐波电流反馈值作差得到电流增量，进而计算得到谐波注入桥臂中开关管的占空比，即可精确实现谐波电流跟踪，获得较好的输入电流性能，而传统控制方法应用于H3IMC拓扑时会出现电流失控问题。本发明的方法实现了谐波电流对参考值的跟踪，能够有效地提高输入电流性能，保证了系统安全稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流控制方法，尤其涉及一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，属于矩阵变换器控制技术领域。

背景技术

在大功率电力系统中，电源输出的三相交流电通常经过两级变换(AC-DC-AC或者AC-DC-DC)得到所需电压再为负载端提供电能，双级式矩阵变换器(TSMC)就是一种新型的“绿色”有源前端AC-DC-AC变换器，且由于其具有无需直流环节的储能元件、能量可双向流动、正弦的输入输出性能、功率因数可控等诸多优势，日渐受到国内外学者的关注。

尽管近年来对TSMC的研究越来越深入，仍存在一些难以克服的问题：(1)由于拓扑上无直流环节的储能元件，使其前级的整流器必须与后级的逆变器协同调制，考虑到实际开关器件的性能，会导致窄脉冲等非线性问题，影响输入输出性能；(2)为了保证输入电流的正弦性，减小输入滤波器的体积，前级的整流器需采用很高的开关频率，一方面开关时刻损耗较多的能量，降低了能量传递效率，另一方面提高了EMI滤波器设计的复杂性，此外高频的通断降低了开关管的使用寿命，从而影响变换器整体的可靠性和安全性。

近年来蓬勃发展的新型AC-DC变换器拓扑为解决这一问题提供了新的思路。2009年，学者提出了混合有源三次谐波注入变换器(H3C)，如图1所示。它在三相不控整流桥的基础上增加了三次谐波注入电路，向交流侧电流注入反向的谐波电流，以补偿不控整流产生的谐波电流，从而使交流侧电流正弦化，且H3C的谐波注入电路还具有无功功率控制功能，不参与电压转换。文献(H.Wang,M.Su,Y.Sun,et al.Two-stage matrix converter basedon third-harmonic injection technique[J].IEEE Trans.Power Electron.,2016,31(1):533-547)将H3C应用于TSMC，构成了一种混合有源三次谐波注入矩阵变换器(HybridActiveThird-Harmonic Injection Matrix Converter，H3IMC)，电路拓扑如图2所示。H3IMC是将H3C的不控二极管替换为IGBT等可控功率开关，以获得能量回馈功能。H3IMC没有直流母线储能元件，具有传统TSMC在体积、重量上的优点。H3IMC还具有以下显著优点：(1)输入和输出控制上解耦，两级变换器可独立控制，无需传统TSMC因输入和输出耦合要求严格的协同配合控制策略，避免了传统TSMC调制算法实现的复杂性；(2)整流器采用不控整流，开关频率低，减少了开关损耗，提高了系统可靠性；(3)H3C电路的加入使得输入端电流高次谐波含量更少，有利于减轻输入滤波器设计的压力，同时，其直流母线电压为平滑的六脉波，电磁兼容性更好。

注入输入侧的谐波电流跟踪参考值是降低输入电流高次谐波的前提也是保证变换器无过流危险的要素。然而，对H3C电路中谐波注入桥臂的控制使得电流有效跟踪参考值，还未有针对性的研究，且传统的PI闭环控制直接得到桥臂开关管占空比的方法并不适用于H3C电路。因为在H3C电路中桥臂上、下管分别导通时的电感电压为斩波状波形，且上下包络线近似为不过零的三角波，使得开关管的开通时间与实际电感电流的升降增量无法成线性正相关。即使占空比随着电感电流参考值和实际值的差值保持良好稳定的跟踪时，也无法保证与实际电流呈正相关，即占空比增大时电感电压不一定增大，使得电流上升，占空比减小时电感电压不一定减小，使得电流下降。因此，针对H3IMC拓扑，传统的PI闭环控制无法有效控制电感电流跟踪参考值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，该方法针对传统的PI闭环控制无法有效应用于H3IMC电路的问题，弥补H3IMC电路中桥臂注入电路控制方法的空缺，实现三次谐波电流跟踪参考值。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法，包括如下步骤：

步骤1，预设谐波电流参考值，将谐波电流参考值与上一计算周期的谐波电流反馈值作差，并将其差值输入PI控制器，设置PI控制器的输出值为当前计算周期的谐波电流，形成谐波电流闭环；

步骤2，将PI控制器的输出值减去当前计算周期的谐波电流反馈值，得到电流的变化值，即电流增量；

步骤3，设u_max、u_mid和u_min分别为三相输入电压u_a、u_b和u_c的幅值最大、中间和最小相的电压，规定上一计算周期的谐波电流反馈值由谐波注入桥臂流向输入侧为正方向，根据步骤2电流增量在一个开关周期的表达式，计算得到谐波注入桥臂上管的占空比；

步骤4，将步骤3得到的谐波注入桥臂上管的占空比配置给控制该上管的ePWM通道的动作门限，由DSP芯片得到谐波注入桥臂上管的驱动波形，并取反得到谐波注入桥臂下管的驱动波形，从而实现三次谐波电流跟踪谐波电流参考值。

作为本发明的一种优选方案，所述计算周期与谐波注入桥臂上管或谐波注入桥臂下管的开关周期一致。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述电流增量在一个开关周期的表达式，具体为：

在谐波注入桥臂上、下管高频开关周期中，u_max、u_mid和u_min为恒定值，将上式简化为：

其中，Δi_y为步骤2电流增量，L_y为三次谐波的滤波电感感值，T_s为谐波注入桥臂开关管的开关周期，d为谐波注入桥臂上管的占空比，u_max、u_mid和u_min分别为三相输入电压u_a、u_b和u_c的幅值最大、中间和最小相的电压，在前级整流器的不控整流和三个双向开关的控制下，u_max、u_mid和u_min分别为谐波注入桥臂的上管集电极、滤波电感输出侧和谐波注入桥臂的下管发射极到输入电源中性点的电压，t表示时间。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述谐波注入桥臂上管的占空比，表达式为：

其中，

其中，d为谐波注入桥臂上管的占空比，PI′为包括PI控制器及后级减法器、乘法器的控制电路的输出，u_max、u_mid和u_min分别为三相输入电压u_a、u_b和u_c的幅值最大、中间和最小相的电压，在前级整流器的不控整流和三个双向开关的控制下，u_max、u_mid和u_min分别为谐波注入桥臂的上管集电极、滤波电感输出侧和谐波注入桥臂的下管发射极到输入电源中性点的电压，Δi_y为电流增量，L_y为三次谐波的滤波电感感值，T_s为谐波注入桥臂开关管的开关周期。

作为本发明的一种优选方案，所述PI控制器的P、I参数根据工程设计方法进行整定。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明能有效控制三次谐波电流跟踪设定的参考值，避免三次谐波电流失控而引发的危险，实现输入电流波形改善和无功功率控制的目的。

2、本发明三次谐波电流跟踪方法无需增加传感器等硬件设施，通过软件即可实现，控制方法简单有效。

附图说明

图1是H3C电路结构图。

图2是H3IMC电路结构图。

图3是本发明一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法的控制框图。

图4是混合有源三次谐波注入变换器前端整流器输入(u_a、u_b和u_c)、输出(u_PN)电压波形。

图5是三次谐波注入桥臂示意图。

图6是未使用谐波电流注入电路时的结果图，其中，(a)为输入波形；(b)为输入电流FFT分析。

图7是使用谐波电流注入电路后的结果图，其中，(a)为输入波形；(b)为输入电流FFT分析。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明一种H3IMC中三次谐波电流跟踪方法的控制框图如图3所示，该方法通过反馈电路采集三次谐波电流，在控制电路中实现谐波电流闭环，由电流增量计算得到谐波注入桥臂开关管通断的占空比，从而实现三次谐波电流跟踪参考值。

用电流源代表后级的逆变级和输出负载，根据不控整流原理及图3所标示，以a相为例，在不同开关模态下可得出输入电流表达式为：

其中i_P＝i_yp+i_o，i_N＝-i_yn+i_o，流经谐波注入桥臂上下管的电流i_yp、i_yn可表示为：

等效负载电流i_o可表示为：

其中u_PN＝u_max-u_min>

一个输入周期可划分为6个扇区，各个扇区中三相输入电压瞬时值最大相上管导通，瞬时值最小相下管导通，使得输出直流电压为单位周期内六脉波脉动电压，扇区划分以及开关管模态如图4所示。

谐波注入电路中三相输入电压瞬时值中间相的双向开关导通，为该相注入谐波电流，对6个扇区中a相输入电流进行分析，为方便分析不考虑无功功率控制，即不注入无功电流分量，本发明所提方法不受注入电流参考值是否含无功电流分量的影响：

扇区①，此时u_a>u_b>u_c，

扇区②，此时u_b>u_a>u_c，

i_a＝-i_y＝-I_ycosω_it(5)

扇区③，此时u_b>u_c>u_a，

扇区④，此时u_c>u_b>u_a，

扇区⑤，此时u_c>u_a>u_b，

i_a＝-i_y＝-I_ycosω_it(8)

扇区⑥，此时u_a>u_c>u_b，

式(4)-(9)中，P为输出功率，u_ab＝u_a-u_b、u_ca＝u_c-u_a为与a相有关的输入线电压，I_y为注入谐波幅值。

为了使三次谐波电流有效跟踪参考值，控制框图如图3所示，具体控制方法如下：

第一步：将三次谐波电流参考值与反馈值的差值输入PI控制器，设置PI控制器的输出值为当前计算周期的谐波电流，形成谐波电流闭环：

其中，为谐波电流参考值，i_y为谐波电流反馈值。当反馈实际电流i_y小于给定值时，PI控制器的输出使得i_y增大，从而使绝对值|Δi_y′|减小，当反馈实际电流i_y大于给定值时，PI控制器的输出使得i_y减小，从而使绝对值|Δi_y′|减小。

第二步：PI控制器的输出值减去当前计算周期的谐波电流反馈值得到电流的变化值Δi_y，即电流增量：

i_y.PI-i_y′＝Δi_y(11)

其中，i_y.PI为PI控制器的输出值，由第一步，设为下一计算周期的谐波电流，i_y′为当前计算周期的谐波电流反馈值。

第三步：设u_max、u_mid和u_min分别为三相输入电压u_a、u_b和u_c的幅值最大、中间和最小相的电压，即：

在前级整流器的不控整流和三个双向开关的控制下，u_max、u_mid和u_min分别为谐波注入桥臂的上管集电极、滤波电感输出侧和谐波注入桥臂的下管发射极到输入电源中性点的电压。

如图5所示，为三次谐波注入桥臂示意图。不失一般性地，规定i_y由谐波注入桥臂流向输入侧为正方向。由Δi_y经过计算得到谐波注入桥臂上管S_yp的占空比d。根据电感电流增量表达式，Δi_y在一个开关周期可表示为：

其中，L_y为三次谐波的滤波电感感值，T_s为谐波注入桥臂开关管的开关周期，在谐波注入桥臂开关管S_yp、S_yn的高频开关周期中，u_max、u_mid和u_min近似为恒定值，因此上式可简化为：

为简化表达，将包括PI控制器及后级减法器、乘法器的控制电路输出设为PI′，即令从而得到占空比d的表达式：

其中

第四步：将第三步得到的谐波注入桥臂上管S_yp的占空比d配置给控制该开关管的ePWM通道的动作门限，由DSP芯片得到S_yp的驱动波形，并取反得到谐波注入桥臂下管S_yn的驱动波形。

第一步和第二步中，分别与三次谐波电流参考值和PI控制器的输出值相减的为上一计算周期的谐波电流反馈值和当前计算周期的谐波电流反馈值。其中PI控制的P、I参数可根据工程设计方法进行整定。第一步至第四步的计算周期与S_yp及S_yn的开关周期一致。

由仿真结果图6的(a)和图7的(a)可见，采用所提的PI闭环控制后，三次谐波电流良好稳定跟踪参考值，相较于未使用谐波电流注入电路，输入电流正弦度明显提高。对其中一相输入电流进行FFT分析，由图6的(b)和图7的(b)可见加入谐波注入功能后，THD值由30.46％降至3.70％。仿真结果验证了本发明方法的有效性和可行性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。